Pool Fire 화재 열방출률(HRR) 계산방법

 

국가화재평가원

현암 대리

 

 

열방출률 (Heat Release Rate)이란 단위 시간당 물질이 방출하는 열의 양을 나타내는 개념입니다. 예상 열방출률 값을 도출할 수 있다면, 해당 시점 내 화재 감지기 작동의 적정성, 비상대응팀의 현장 도착시간 적정성 선정 및 소화설비 작동시점의 적정성 등 다양한 화재 안전 data로 응용해서 활용할 수 있습니다. 

따라서, 이번 호에서는 예상 열방출률 크기 중 Pool fire의 예상 화재 열방출률 계산방법에 대해 소개하고자 합니다.

 

 Pool Fire HRR 계산식

Pool Fire 열방출률 식은 SFPE 3rd  edition pg. 3-25를 참조하여 다음과 같습니다.

아래 식은 Pool fire 화재에서 직경이 0.2m 미만인 경우, 화재 위험성이 거의 없다고 판단하여 전도, 대류 영역은 고려하지않은 채, 복사 영역에서의 Pool fire의 열방출률 계산식입니다.

Pool fire 열방출률 계산식에서 pool fire의 직경 및 표면적을 제외한 질량감소율, 유효 연소열, 실험상수값은 누출된 위험물(인화성 액체 등)특성에 해당하는 실험값을 적용하기 때문에, 최종적으로 pool fire의 표면적을 산정할 수만 있다면 Pool fire의 열방출률 크기를 계산할 수 있습니다.    

 

Pool Fire는 크게 방유제 (확산방지설비)가 있는 구역 내 유류가 누출되어 Pool을 형성하는 경우와 방유제 등 확산방지 설비가 존재하지 않는 구역에서 액체가 흘러 Pool을 형성하는 경우 두 가지 조건으로 분류할 수 있습니다.

둘 중 어떤 조건인지에 따라 위의 식 A (Pool fire의 표면적, 방유제 면적)에 대입할 값이 결정됩니다.

 

CASE 1) 방유제가 설치된 구역 내 Pool fire

 

방유제가 설치된 구역 내 pool fire가 형성되면 A는 방유제 면적(A_dike)의 값으로 적용하면 됩니다.

A_dike=방유제의 표면적 (Dike Area)

CASE 2) 방유제 없이 누출된 액체의 Pool fire

 

방유제 등 확산방지 설비가 되어 있지 않는 경우, 액체 층은 1cm 깊이로 형성되는 것을 가정하여 pool의 표면적을 계산할 수 있습니다.

이 경우, 누출된 pool의 면적(A)을 알기 위해서는 먼저 누출유량 값을 구하는 과정이 선행되어야 합니다.

 1) 누출공의 크기를 통한 누출 단면적 크기 산정

 2) (1) 식을 통해 누출유량(kg/s) 산정

 3) 누출유량(kg/s) x 누출시간(s)을 계산하여  누출량(Q) 을 산정하여 (2) 식에 활용

 

 

이때, 누출 단면적 크기 (A) 와 Pool의 표면적 (A)와 혼동하지 않도록 주의해야 합니다.

 

 

 

앞서 보시다시피 두 조건 중, 확산방지설비가 존재하지 않은 조건에서의 Pool fire의 열방출률을 계산하기까지의 과정이 복잡하다보니, Case 2에서 pool fire의 열방출률을 계산하는 과정을 문제를 통해 알아보도록 하겠습니다.  

 

*계산 Mechanism

Case 2에서 열방출률을 산출하는 순서는 다음과 같습니다.  누출유량(kg/s) 값을 계산한 후 누출시간과 곱하면 총누출량을 계산할 수 있습니다. 누출량은 앞선 (2)식에 대입해 누출된 pool의 면적을 구하는데 활용됩니다.  이후 누출된 pool 면적(A)값을 구하면, SFPE에 기반한 Pool Fire 열방출률 식에 pool 면적을 대입해 최종 열방출률을 계산하면 됩니다.

 

* 누출시간

‘kosha guide p-92-2012 ‘에서 누출원의 면적 산정 시 이송 또는 압축설비를 제외한 화학설비의 균열 또는 파손에 의한 경우 그 화학설비에서 취급 저장하는 위험물질이 10분 동안 모두 누출될 수 있는 구멍의 면적’이라고 정의함에 따라, 누출시간 default 값으로 10분을 적용합니다.

* 단, 미국 석유화학협회 위험기반검사 기준(API 581)에 따른 누출시간 산출방법을 적용해도 됩니다.

 

 1) 먼저 압력용기로 부터 액체의 누출 유량을 먼저 구해야 합니다.  → 2 페이지 (1) 식 활용 

 

 

 

위 홈페이지 내에서는 다음과 같이 Pool Fire 화재 뿐만 아니라 해당 구역에 맞는 화재 종류를 선택하여 일반 화재 , Cable 화재 등 화재 크기를 산출할 수 있도록 구성되어 있습니다. 이 Tool을 통해 구역 내에 열방출률을 계산하여 플래쉬 오버 가능 화재크기와 비교하여 플래쉬오버 발생여부 등 참고 자료로 활용해보는 것도 좋을 것 같습니다.

 

홈페이지를 방문하면 해당 Tool은 오픈소스로 제공되어 있습니다.

 

-본 칼럼은 국가화재안전저널 제 32호에 기고된 글입니다.